Galileo - Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie ...

Galileo – Herausforderung und Gewinn 

für die geodätische Anwendung 

Urs Hugentobler 

Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie 

Institut für Astronomische und Geodätische Geodäsie 

Technische Universität München 

Geodätisches Kolloquium, Hannover, 13. November 2007 

Institut für Astronomische 

Geodätisches Kolloquium, Hannover 

und Physikalische Geodäsie 1

Inhalt 

• Einführung 

• Bahncharakteristiken 

• Signale 

• Positionierung 

• Bahnmodellierung 

• Schlussbemerkungen 




Galileo 

• Projekt von EU und ESA 

• Mai 2003 auf Finanzierung geeinigt, 

PPP-Modell 

• Juni 2004: Abkommen mit USA 

betreffend Modulation der Signale 

• Mai 2007: PPP ist gescheitert, Projekt 

soll öffentlich finanziert werden 

• Zusätzliche 2.5 Mia EUR müssen durch 

die Öffentlichkeit aufgebracht werden 

• Gesamtkosten werden bis 2030 auf 

9-12 Mia EUR geschätzt 

• Aufbau bis 2013 geplant 





• Schlüsselwörter: 

– nicht-militärisches System 

– eingebaute Integrität 

– zertifiziertes System 

– Interoperabilität 

– Schlüsseltechnologie 

in Europa 

• Charakteristiken: 

– drei Frequenzen 

– verbesserte Signale 

– präzisere Uhren 





• Erster Testsatellit, GIOVE-A ist seit 

28. Dez. 2005 im Orbit 

• Ziele: 

– Sicherung der Frequenzen 

– Validierung der Schlüsseltechnologien 

– Untersuchung des Strahlungsumfeldes 

• GIOVE-B soll Anfang 2008 gestartet 

werden 

• GIOVE-B soll auf drei Frequenzen 

gleichzeitig senden und Wasserstoffmaser 

mitführen. 





• Das Bodensegment wird aus rund 40 Galileo Sensor Stations (GSS) gebildet 

GGSP, 2007 




Konstellationen 

Charakteristik 

Grosse Halbachse 

Umlaufperiode 

Bahnneigung 

Anzahl Bahnebenen 

Anzahl Satelliten 

Aktiv (10-Nov-07) 

Ungefähre Masse 

PRN Codes 

Frequenzen 

GPS 

26‘600 km 

11h58m 

55° 

6 (60°spacing) 

24 (3 spares) 

32 

880 kg, 1100 kg 

satellitenabh. 

satellitenunabh. 

GLONASS 

25‘500 km 

11h16m 

65° 


24 (3 spares) 

12 (+2 commiss.) 

1500 kg 




29'600 km 

14h04m 

56° 


30 (3 spares) 

680 kg 





und Physikalische Geodäsie 7 

1




Umlaufperiode 

Bahnneigung 





PRN Codes 

Frequenzen 

GPS 

26‘600 km 

11h58m 

55° 


24 (3 spares) 

32 

880 kg, 1100 kg 



GLONASS 

25‘500 km 

11h16m 

65° 


24 (3 spares) 


1500 kg 




29'600 km 

14h04m 

56° 


30 (3 spares) 

680 kg 






1




Umlaufperiode 

Bahnneigung 





PRN Codes 

Frequenzen 

GPS 

26‘600 km 

11h58m 

55° 


24 (3 spares) 

32 

880 kg, 1100 kg 



GLONASS 

25‘500 km 

11h16m 

65° 


24 (3 spares) 


1500 kg 




29'600 km 

14h04m 

56° 


30 (3 spares) 

680 kg 






1




Umlaufperiode 

Bahnneigung 





PRN Codes 

Frequenzen 

GPS 

26‘600 km 

11h58m 

55° 


24 (3 spares) 

32 

880 kg, 1100 kg 



GLONASS 

25‘500 km 

11h16m 

65° 


24 (3 spares) 


1500 kg 




29'600 km 

14h04m 

56° 


30 (3 spares) 

680 kg 






1

Bahncharakteristiken 


Bahnhöhe (km) 

Bahnneigung 

Umlaufszeit 

Umläufe/sid.Tagen 

GPS 

20'200 

55° 

11h58m 

2/1 

GLONASS 

19'100 

65° 

11h16m 

17/8 


23'200 

56° 

14h04m 

17/10 

Compass 

21'500 

55° 

12h53m 

13/7 




Globale Abdeckung 

h Pol 

h Aeq 




Globale Abdeckung 



Bahnneigung (deg) 

Umlaufszeit 


h Pol 

h Aeq 

GPS 

20'200 

55° 

11h58m 

2/1 

45.3° 

22.2° 

GLONASS 

19'100 

65° 

11h16m 

17/8 

57.0° 

10.5° 


23'200 

56° 

14h04m 

17/10 

47.6° 

23.6° 

Compass 

21'500 

55° 

12h53m 

13/7 

45.8° 

22.8° 




Groundtrack Repeatability 



Bahnneigung (deg) 

Umlaufszeit 


h Pol 

h Aeq 

GPS 

20'200 

55° 

11h58m 

2/1 

45.3° 

22.2° 

GLONASS 

19'100 

65° 

11h16m 

17/8 

57.0° 

10.5° 


23'200 

56° 

14h04m 

17/10 

47.6° 

23.6° 

Compass 

21'500 

55° 

12h53m 

13/7 

45.8° 

22.8° 





• Bodenspur GPS, 1 Satellit, 1 Tag 





• Bodenspur GPS, 1 Satellit, 10 Tage 





• Bodenspur Galileo, 1 Satellit, 1 Tag 





• Bodenspur Galileo, 1 Satellit, 10 Tage 





• Anzahl beobachtende Stationen für einen GPS Satelliten (45 Stationen) 





• Anzahl beobachtende Stationen für einen Galileo Satelliten (45 Stationen) 




Resonante Bahnstörungen 

• Resonante Störungen in der Halbachse durch Potentialterme des 

Erdschwerefeldes bis 9x9 (Kaula, 1966) 

System 

GPS 

Galileo 5/3 

Potentialterm 

22 

32 

42 

44 

52 

54 

64 

76 

84 

88 

55 

65 

Max. Drift in a [m/d] 

1.025 

6.046 

0.018 

1.484 

0.227 

0.006 

0.022 

0.017 

0.001 

0.004 

0.538 

0.002 





• Resonante Bahnstörungen bei GPS durch Potentialterme 32 





• Resonante Störungen in der Halbachse durch Potentialterme des 

Erdschwerefeldes bis 9x9 (Kaula, 1966) 

System 

GPS 

Galileo 5/3 

Potentialterm 

22 

32 

42 

44 

52 

54 

64 

76 

84 

88 

55 

65 

Max. Drift in a [m/d] 

1.025 

6.046 

0.018 

1.484 

0.227 

0.006 

0.022 

0.017 

0.001 

0.004 

0.538 

0.002 





• Galileo, a=29'600 km, 17/10, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre 





• Galileo, a=29'900 km, 5/3, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre 





• GPS, a=26'600 km, 2/1, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre 




Bestimmung subtäglicher Erdrotationsparameter 

• GPS Bahnmodellierungsfehler 

korrellieren mit 

subtäglichen Termen 

• Im täglichen und 

halbtäglchen Gezeiten- 

Frequenzband 


Compass 

GPS 

Glonass 

IERS Conventions 2003 

Urschl 2006 





• Formale Fehler subtäglicher Terme im täglichen Frequenzband 





• Formale Fehler subtäglicher Terme im täglichen Frequenzband 

Urschl 2006 




Galileo Signale 

Galileo OS SIS ICD, 2006 





• Galileo Trägerfrequenzen 

• GPS Trägerfrequenzen 

E1 

E6 

E5 

E5a 

E5b 

L1 

L2 

L5 

1575.42 MHz 

1278.75 MHz 

1191.795 MHz 

1176.45 MHz 

1207.14 MHz 

1575.42 MHz 

1227.60 MHz 

1176.45 MHz 

154 * 10.23 MHz 

125 * 10.23 MHz 

116.5 * 10.23 MHz 

115 * 10.23 MHz 

118 * 10.23 MHz 

154 * 10.23 MHz 

120 * 10.23 MHz 

115 * 10.23 MHz 





• Signale von GIOVE-A 

Simsky et al., 2006 




Ionosphärenfreie Linearkombination 

• Drei Frequenzen: Drei verschiedene Möglichkeiten, eine ionosphärenfreie 

Linearkombination zu bilden. 

• Ionosphärenfreie Linearkombination, welche Terme proportional f –2 und f –3 

gleichzeitig eliminiert. 

• Dreifrequenz-Linearkombination, welche Terme proportional f –2 eliminiert 

und das Rauschen minimiert. 

Kombination 

E1-E5 

E1-E6 

E6-E5 

E1-E6-E5 

κ 1 

2.3380 

2.9312 

7.6117 

8.4915 

κ 2 

-1.3380 

-1.9312 

-6.6117 

-20.0340 

12.5424 

Noise 

* 2.7 

* 3.5 

* 10.1 

* 25.1 

HOI 

* 0.75 

* 0.68 

* 0.56 




κ 3 

--


• Rauschen der ionosphärenfreien 3-Frequenz-Linearkombination 





• Rauschen der ionosphärenfreien 3-Frequenz-Linearkombination 




Mehrdeutigkeiten 

• Linearkombinationen mit ganzzahligen Koeffizienten n 1 , n 2 , n 3 der 

Phasenbeobachtungen in Zyklen erhält die Ganzzahligkeit der 


• Wellenlänge 

Ln n n 

λ 

• Einfluss der Ionosphäre 

I 

λ 

1 

2 

n n 

n 

3 

n1 

= L 

λ 

= 

1 

1 

1 

1 

n2 

+ L 

λ 

2 

2 

2 




2 

n3 

+ L 

λ 

1 2 3 n f + n f + n f 

n n 

1 

1 

2 

n n 

2 

n 

n 

3 

3 

⎛ n 

= 

⎜ 

⎝ f 

1 

1 

+ 

n 

f 

2 

2 

c 

+ 

n 

f 

3 

3 

3 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

f 

3 

3 

1 

1 

3 

I1 

λ


• Wellenlänge als 

Funktion von 

n 1 , n 2 , n 3 für 

E1, E6, E5 

4 

2 

0 

-2 

-4 

-4 

-4 

-4 -2 0 2 4 -4 -2 0 2 4 -4 -2 0 2 4 

4 

2 

0 

-2 

4 

2 

0 

-2 

4 

2 

0 

-2 

-4 

-4 

-4 

-4 -2 0 2 4 -4 -2 0 2 4 -4 -2 0 2 4 

4 

4 

4 

2 

2 

2 

0 

0 

0 

-2 

-2 

-2 

-4 

-4 

-4 

-4 -2 0 2 4 -4 -2 0 2 4 -4 -2 0 2 4 




4 

2 

0 

-2 

4 

2 

0 

-2 

m


• Multiplikator des 

Ionosphäreneffektes 

als 

Funktion von 

n 1 , n 2 , n 3 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

I·λ/λ 1 




4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

-4 

-4 -2 0 2 4


• Kombinationen 

(-1,4,3) 

(-1,3,-2) 

(0,1,-1) 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

I·λ/λ 1 




4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 

4 

2 

0 

-2 

-4 -2 0 2 4 

-4 -2 0 2 4 

-4 

-4 -2 0 2 4


• Beispiel: 

• Linearkombination -1, 4, -3 liefert 

• Linearkombination 0, 1, -1 (Widelane) liefert 

• Damit 

N -1,4,-3 = – N 1 + 4 N 6 – 3 N 5 (λ = 8.4 m) 

N 0,1,-1 = N 6 – N 5 (λ = 3.4 m) 

N 5 = N 1 – N -1,4,-3 + 4 N 0,1,-1 

• Eingesetzt in die ionosphärenfreie Linearkombination von L 1 und L 5 ergibt 

Narrowlane Mehrdeutigkeit mit λ = 10.8 cm 





Galileo OS SIS ICD, 2006 





• Lösen von Mehrdeutigkeiten über die Systeme 

• Behandlung eines Single-Difference Ambiguity-Terms 

∇∆b 

GE 

kj 

G 

= + λ N 

G 

= λ 

G 

= λ 

G G E E E 

( Nk 

− N j ) − λ ( Nk 

− N j ) 

G G G E E G E E E 

( N − N ) − λ ( N − N ) + ( λ − λ )( N − N ) 

k 

G 

k 

G 

= λ ∇∆N 

G 

− λ N 

GE 

kj 

j 

G 

j 

+ ∆λ 

E 

− λ N 

GE 

∆N 

k 

E 

kj 




E 

k 

E 

+ λ N 

j 

E 

j 

k 

j

Galileo-Uhren 

• Passiver Wasserstoff-Maser 

• Stabilität wichtig für Navigation (Prädizierbarkeit) 

• Modellierung der Uhr als Funktion der Zeit? 




Positionierung 

• Precise Point Positioning, Positionierungsfehler, Simulation 

Heinze et al., 2007 




2. GPS/GLONASS Systemkomponenten 

2.3 Das Control Segment 

• Ungleichmässige Satellitenverteilung 





Positionierung 

• Precise Point Positioning, ungleichmässige Satellitenverteilung 





Reference Frame 

• Formaler Fehler der Stationsgeschwindigkeit als Funktion der Zeit 






Antennenwechsel 






Antennenwechsel 




Antennen-Phasenpatterns 




Stationskoordinaten-Zeitserie 

• Spektren von 10-Jahres-Koordinatenzeitserien von 100 IGS Stationen 

• Gestackt zu einem Spektum 

Bahnmodellierungsproblem 

350·1/6 Tage 

J. Ray, 2006 




Geozentrum 

• Geozentrum aus 3-Tages-GPS-Lösungen, zwei Strahlungsdruckmodelle 




Geozentrum 

• Geozentrum aus 3-Tages-GPS-Lösungen, verschoben um 365 Tage 




Geozentrum 

• Geozentrum aus 3-Tages-GPS-Lösungen, verschoben um 350 Tage 

350 days 




Geozentrum 

• Bahnebenenspezifische Geozentrumskoordinaten 

X-Geocenter (m) Y-Geocenter (m) Z-Geocenter (m) 

Range ±6 cm Range ±6 cm Range ±30 cm 

Plane A 




Geozentrum 




Plane B 




Geozentrum 




Plane C 




Geozentrum 




Plane D 




Geozentrum 




Plane E 




Geozentrum 




Plane F 




Geozentrum 

• Streuung der bahnebenenspezifischen Geozentrumskoordinaten 




Geozentrum 

• Elevation der Sonne über der Bahnebene 




SLR Residuen 

G05 

G06 

GPS 

Bias -3.5 cm 

RMS 2.1 cm 

Bias -3.8 cm 

RMS 2.6 cm 

Urschl et al., 2006 




SLR Residuen 

R03 

R22 

R24 

GLONASS 

Bias -1.0 cm 

RMS 4.9 cm 

Bias -0.4 cm 

RMS 4.6 cm 

Bias -0.3 cm 

RMS 5.1 cm 

Urschl et al., 2006 




SLR Residuen 

• SLR Residuen der GPS Satelliten, biasreduziert 

(cm) 

10 




5 

0 

-5 

-10 

Urschl 2006

SLR Residuen 

• Sonnen-orientiertes Koordinatensystem 

0 

u 

∆ 

Urschl 2006 




SLR Residuen 

• SLR Residuen, ROCK a priori Strahlungsdruckmodell 

Urschl 2006 




SLR Residuen 

• SLR Residuen, CODE a priori Strahlungsdruckmodell 

Urschl 2006 




Zukunft… 

• Galileo II soll präzise Zwischensatellitenmessungen erlauben 

• "Neue Welt" für präzise Bahnbestimmung 

ESA 2006 




Zusammenfassung und Schlussbemerkungen 

• Galileo verbessert GPS und GLONASS. 

• Galileo soll bis 2013 aufgebaut sein. Es läuft sonst Gefahr, nur eines von 

mehreren globalen Satellitennavigationssysteme zu sein. 

• Kombination mit anderen GNSS: Verbesserung besser als Wurzel-N? 

• Stabilisierung der Lösungen durch Modellierung der Satellitenuhren? 

• Resonante Bahnstörungen machen regelmässige Bahnmanöver nötig 

• Eine gleichmässige Verteilung der Satelliten in der Bahn verbessert die 

Positionierresultate. 

• Wechsel von GPS- zu GNSS-Antennen unterbricht Koordinatenzeitserien 

und beeinträchtigt das Schätzen von Stationsgeschwindigkeiten. An 

Referenzpunkten sollte eine GNSS-Antenne zusätzlich zur GPS-Referenzantenne 

installiert werden. 

• Probleme bei der Modellierung des Strahlungsdruckes finden sich in 

verschiedenen Resultaten, z.B. auch Koordinatenzeitserien und 

Geozentrumskoordinaten. 

• SLR ist nötig zur unabhängigen Validierung der Bahnmodellierung.

Galileo - Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie ...

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